加層改造結構節點部位受力性能試驗研究

任煥嬌 曹福生 趙夢飛 李昊 李仙俄 梁皖鄂

（1.北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

在城市的快速發展中，越來越多的老舊建筑物已不能很好地滿足人們工作和生活的需要。拆除重建不僅周期長、造價高，所產生的建筑垃圾對生態環境也存在著較大的污染，對周邊建筑物和交通的影響也是不可避免的。城市更新行動是國家“十四五”規劃中重要的工程項目，在此行動中強調了堅持綠色低碳發展。加層改造不僅能夠實現城市的更新，促進城市的發展，還能全面貫徹綠色發展方針。

目前已有國內外學者對加層改造結構進行了研究與探索[1]，但是以往的研究主要聚焦于加層改造后整體結構的靜力與動力性能分析，多以承重構件的豎向承載力為設計依據，少有對加層節點部位的受力性能展開專門的研究。在工程改造過程中，由于缺少必要的理論支持與技術支撐[2]，加層改造工程事故頻發。

基于此，本文重點分析加層改造結構節點部位的受力性能，揭示節點部位在水平和豎向荷載共同作用下的破壞機理，為我國在此類工程安全建造方面提供理論依據和技術參考[3]。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗模型按照1∶3 縮尺設計制作，混凝土柱截面尺寸為200mm×200mm，柱高為300mm，兩端通過梁延伸固定，以便開展節點變化情況的探究，內部植入4根半徑為5mm 的錨栓，通過植筋膠與兩端固定。上部焊接H 型鋼柱，高度為700mm，截面尺寸為100mm×80mm×12mm×14mm，混凝土強度等級采用C30，H 型鋼柱采用Q235B鋼，梁的縱向鋼筋均采用直徑為12mm的HRB400 型，柱的豎向鋼筋均采用直徑為14mm 的HRB400型，梁柱箍筋均采用HPB300，具體模型設計及尺寸見圖1。

圖1 試件配筋圖

1.2 試件制作

通過閱讀相關的文獻參考[4]，學習植筋技術的關鍵所在，采用圓管包裹鋼筋后進行整體澆筑，待養護完畢后去除圓管，清理內壁打磨光滑后進行植筋，待植筋部分穩定后，利用C50 無收縮混凝土進行找平將植筋錨桿開絲與上部H 型鋼底座相連，擰緊螺栓使連接處無空隙，保證試驗準確性。

1.3 加載方案

試件的制作與養護均在北方民族大學結構力學試驗室進行，加載裝置采用MTS液壓作動器，分別對豎向加載軸壓比為0.3的柱端荷載，水平方向通過MTS液壓作動器在柱端通過夾具連接，通過施加水平往復位移的方式模擬地震作用，位移加載方式見圖2 所示。試驗整個過程均在作動器正常工作范圍內，加載位移以作動器壓力為正，拉力為負，每次增長位移為5mm，待達到鋼筋屈服或混凝土結構明顯破壞時，停止加載。

圖2 試驗加載制度

1.4 試驗內容

主要測試對象為梁柱節點，包括混凝土的柱頂位移（通過位移計測量）、植筋部分的鋼筋應變，以及核心區域鋼筋與箍筋部分的應變。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

在往復荷載作用下，試件上裂縫的變化情況見表1，裂縫開展變化情況見圖3。在整個加載過程中，上部H 型鋼變形較小，連接部位的螺栓未出現分離現象，H型鋼焊接部位未出現開焊現象，夾具及固定端約束狀態良好。

表1 試件裂縫變化情況

圖3 不同加載步驟裂縫開展變化圖

2.2 柱端位移分析

通過圖4 分析可知，隨著水平往復位移的加載，柱兩端的位移變化情況開始時幾乎成對稱變化，受力狀態良好；隨著水平往復位移的加大，柱端位移向柱右端開始傾斜，其傾斜變化情況較為明顯，傾斜階段恰好為柱右端混凝土產生破壞階段，此時可判定為結構遭受破壞，結構不宜再繼續承受荷載，停止加載。

圖4 柱端位移變化圖

2.3 植筋部分的鋼筋應變

對于加層改造結構而言，植筋部分的鋼筋受力情況尤為重要，植筋部分的施工工藝、錨固程度均會影響上部加層結構。由圖5分析可知，隨著水平往復位移的加載，植筋鋼筋受力變化情況較為敏感，加載至25～30mm時，植筋鋼筋的應變產生突變，與出現混凝土局部破壞退出工作相吻合。植筋技術作為最為傳統的加層節點處理方法，其可靠程度可通過植筋應變圖得以驗證，植筋鋼筋是節點上部抵抗結構水平荷載的主要構件，是連接上下部分的關鍵部位，植筋鋼筋在往復荷載作用下，正向移動應變均大于逆向移動應變，水平往復位移加載越大，相差效果越明顯，從植筋受力情況分析，這種現象符合“包辛格效應”的特點。

圖5 植筋應變圖

2.4 柱端箍筋應變

箍筋起到抵抗截面剪應力并固定主筋，聯合混凝土和主筋共同工作的作用。同時，箍筋起著提高連接強度，限制構件表面裂縫開展，能較為有效地改善鋼筋延性的作用。加層結構中，加層節點部分箍筋的作用更為重要。為探究箍筋的重要地位，本試件在加層節點部分加密箍筋，按二層進行劃分，分別繪制頂層箍筋、底層箍筋的應變圖，如圖6所示。

圖6 箍筋應變圖

由圖6 分析可知，隨水平加載往復位移變化的箍筋應變圖可知，頂層、底層箍筋與同側植筋應變變化同步，說明箍筋對于抵抗偶然荷載起著關鍵作用，頂層箍筋應變明顯大于底層箍筋，說明在水平往復荷載作用下，頂層混凝土破壞趨勢明顯，有成為薄弱部位破壞的可能，適當加密加層部分頂層箍筋數量是必要的[5]。

3 結束語

本文對加層改造結構的節點部位在往復荷載作用下的受力性能進行綜合研究，通過對試驗結果進行分析得出以下結論：

（1）對于加層改造結構，在加層節點部位處理上，采用植筋技術能較為有效的連接上下結構，力的傳遞途徑較為簡單，但在水平往復荷載作用下，柱端混凝土部分最先破壞，節點連接部位仍為結構的薄弱部位，連接點應變較大，不符合“強柱若梁”設計標準，節點核心部位仍需加固。

（2）從加層部位箍筋應變情況進行分析，上部箍筋變形明顯大于底部箍筋，證明在往復荷載作用下柱頂混凝土受壓力和拉力較大，頂部混凝土部分相對薄弱，在加層結構中應采取相應的措施加強頂部混凝土的保護。

（3）對本試驗進行綜合分析可知，節點核心區域和上部外包柱腳混凝土部分為結構薄弱部位，在高烈度地區進行加層改造工程時，在充分考慮結構使用功能和施工難度后，建議采用外包纖維混凝土、粘貼鋼板、粘貼碳纖維板、布等加固措施對節點核心區域進行加固。